Del Neolítico a la era de los "nuevos materiales".

Materiales Inorgánicos:
de la Prehistoria al siglo XXI
Emilio Morán
Departamento de Química Inorgánica I
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Complutense de Madrid
Ciclo de conferencias “Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad”
CSIC
27 de abril de 2009
Esquema de la charla
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•
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Material: algunas definiciones
Historia: las “eras” de la Humanidad
Tipos de materiales: clasificaciones.
Materiales inorgánicos.
Estrategias en la preparación de materiales
A modo de ejemplo: materiales
superconductores.
• Conclusión
1.Definiciones
“Materiales”: 62.000.000 entradas en Google
“Materials”:
317.000.000
entradas
Ej.: “Materiales de construcción”
(Diccionario de la lengua RAE)
Material:
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•
(Del lat. materiālis).
1. adj. Perteneciente o relativo a la materia.
2. adj. Opuesto a lo espiritual.
3. adj. Opuesto a la forma. Esta alhaja es de poco valor material.
4. adj. Grosero, sin ingenio ni agudeza.
5. m. Elemento que entra como ingrediente en algunos compuestos.
6. m. Cuero curtido.
7. m. Cada una de las materias que se necesitan para una obra, o el
conjunto de ellas. U. m. en pl.
8. m. Documentación que sirve de base para un trabajo intelectual.
9. m. Conjunto de máquinas, herramientas u objetos de cualquier clase,
necesario para el desempeño de un servicio o el ejercicio de una
profesión. Material de guerra, de incendios, de oficina, de una fábrica.
• Materials are substances or components
with certain physical properties which are
used as inputs to production or
manufacturing. Basically, materials are the
pieces required to make something else,
from buildings and art to stars and
computers. (WIKIPEDIA)
MATERIAL: “Sólido útil”
2. HISTORIA
Flechas y herramientas de sílex.
17000 a.C.
www.museuprehistoriavalencia.es
Cuevas de Altamira. Bisonte. 13000 a. C. Fe2O3 + C +....
Edad del bronce (Cu/Sn):
3000-800 a.C.
Tesoro de Villena.
Siglo XI a.C.
(Au)
Edad del Hierro:
1400 a. C. hasta 1950 d.C. (?)
Cerámica campaniforme. 1800-2200 a.C.
www.museuprehistoriavalencia.es
Vaso campaniforme. Ciempozuelos (Madrid),
Edad de Bronce, entre 1970 y 1470 a.C.
Museo Arqueológico Nacional
Cerámicas griegas , siglo VI a.C.
piezas de arcilla moldeada, endurecida por el calor.
Su composición suele ser:
dióxido de sílice (algo por debajo de un 60%), aluminio (entre un 15 y un 20%),
óxido de hierro (hacia un 7%) y otros óxidos de magnesio, calcio, sodio y potasio.
El material tiene que ser moldeable y, al mismo tiempo, capaz de conservar la
forma cuando se ha trabajado, por lo que admite agua, que se pierde después de
que la pieza haya pasado por el fuego. www.kalipedia.com/arte/
Porcelana
Origen: China, s. VII-VIII a.C.
Base: Caolín, T>>>
Formación militar del
mausoleo del primer
emperador Quin
Terracota
(250 adc)
VIDRIO: (SiO2 + aditivos) Egipto, Fenicia 1500 a.C.
Cementos, Hormigón, Yeso….
Panteón, Roma
Nuevos Materiales (s. XXI)
HISTORIA DE LA HUMANIDAD
« Era »
Años
Paleolítico
15000 a.C.--
Neolítico
7000 a. C. --
Edad del
Bronce
4000 a. C. --
Edad del
Hierro
1500 a. C.--
Historia
documental
Edades
« antigua »,
« media »,
« moderna ,
Actualidad---
Contemporánea
Avance
significativo
Piedra,
Fuego
Rueda,
Agricultura
Escritura,
Hornos,
Armas
Nuevas
Armas,
Navegación
Pólvora,
Imprenta,
Máquina de
Vapor, etc
Nuevas
fuentes de
energía,
Internet,
etc...
Materiales
Cerámicos
------------
Lugar
Alfarería
Oriente
Medio
Oriente
Medio
Ladrillos
Vidrio,
Porcelana
Vidriados,
gres,
Cerámicas
« avanzadas
»
Africa
Oriente
Medio,
Europa,
China
China,
P. árabes,
Europa,
Globo
3. Clasificaciones
Tipos de Materiales:
• Naturales: de origen mineral, vegetal o animal.
• Artificiales: Metales, cerámicas, polímeros y
compuestos.
• Funcionales: Estructurales, electrónicos,
eléctricos, magnéticos, ópticos, etc.
• Orgánicos, inorgánicos o híbridos.
• Moleculares o no moleculares.
• Mono- bi- o tridimensionales.
• Biomateriales.
• Nanomateriales, nanoestructurados, etc.
Material: “Sólido útil”
Cerámicas
Metales
Polímeros
Compuestos
4. Materiales Inorgánicos
Moleculares: enlace “débil” entre especies
complejas.
No moleculares (“cerámicos”):
• enlace fuerte, iónico-covalente.
• Composiciones y estructuras muy variadas.
ELÉCTRICAS
MECÁNICAS
QUÍMICAS
OTRAS
PROPIEDADES
MAGNÉTICAS
ÓPTICAS
Materiales
ánicos. Propiedades
ánicas:
Materialesinorg
inorgánicos.
Propiedadesmec
mecánicas:
•Materiales muy duros:C(diamante),
BN, SiC, Si3N4, “C3N4”,...
duros:
•Lubricantes:C(grafito),
MoS2, ...
Lubricantes:
•Cerámicas tenaces:Al
tenaces: 2O3, ZrO2, Sialones, ...
•Sin dilatación térmica o con contracción:ZrW
n:
2O8, zeolitas,...
•Ferroelásticos:CaAl
sticos:
2Si2O8
•Etc...
Materiales
ánicos. Propiedades
éctricas:
Materialesinorg
inorgánicos.
Propiedadeseleléctricas:
Conductividad Electrónica:
Aislantes: SiO2...
Semiconductores:Si, AsGa,..
Metálicos:ReO3, CrO2..
Superconductores: YBa2Cu3O7...
•Conductividad iónica:
Electrolitos sólidos (catiónicos: β-Al2O3, AgI ) o
(aniónicos: ZrO2... )
Conductores protónicos
•Dieléctricas
Ferroeléctricos: BaTiO3...
Piezoeléctricos: α-cuarzo..
Piroeléctricos:ZnO...
Materiales
ánicos. Propiedades
éticas:
Materialesinorg
inorgánicos.
Propiedadesmagn
magnéticas:
•Diamagnéticos:SCAT
ticos:
•Paramagnéticos (Pauli) TiO, RhO2...
•Paramagnéticos (Curie-Weiss)
•Ferromagnéticos CrO2, γ-Fe2O3 , YIG, ..
•Antiferromagnéticos α-Fe2O3
•Ferrimagnéticos Fe3O4, hexaferritas,...
•Vidrios de espín
•Magnetorresistentes :La1-xCaxMnO3
•Multiferroicos: BiFeO3
•etc...
Materiales
ánicos. Propiedades
pticas:
Materialesinorg
inorgánicos.
Propiedadesóópticas:
•Pigmentos TiO2, Cr2O3, sulfuros de T.R.,
•Termocrómicos
•Ventanas de IR NaCl, CaF2,...
•Láseres (Cr)Al2O3, (Nd)YAG,...
•Luminescentes
•Fosforescentes
•Óptica no lineal LiNbO3
•Cristales líquidos
•etc...
Materiales
ánicos. Propiedades
químicas”:
Materialesinorg
inorgánicos.
Propiedades““químicas”:
•Catálisis heterogénea Zeolitas, fosfatos, metales soportados,
óxidos metálicos, etc...
•Almacenamiento de energía: pilas de combustible, baterías de
ión litio, etc..
•Almacenamiento de hidrógeno LaNi5, hidruros metálicos,
•Almacenamiento de residuos nucleares:
nucleares Synroc, vidrios
fluorados, ..
•Sensores de gases: , zircona
•Sensores químicos
•Adsorbentes Zeolitas
•Intercambio catiónico: Zeolitas
•etc...
5. Estrategias en la
preparación de materiales
•Motivación: ¿qué preparar?, ¿para qué?
•Procedimientos: ¿cómo?, ¿en función de qué?
•¿Materiales de “diseño”?, o más bien, ¿“serendipity”?
Materiales
Materiales de
de moda:
moda:
(Palabras
(Palabras clave)
clave)
“Smart”
“Smart” materials...
materials...
Super(materials)...SCAT,
Super(materials)...SCAT, SCI,
SCI,
CMGR,...
CMGR,...
•Nanomateriales,
•Nanomateriales, Nanoestructuras,
Nanoestructuras,
Nano....
Nano....
•Materiales
(ej. MagnetoMagneto•Materiales multifuncionales
multifuncionales (ej.
resistentes,
resistentes, multiferroicos,
multiferroicos, etc…)
etc…)
•Mat.
•Mat. Biomiméticos
Biomiméticos
•Etc.....
•Etc.....
Materiales por necesidad. Ej.:
Materiales
Materiales para
para la
la energía:
energía:
•Fotovoltaicos
•Fotovoltaicos
•Baterías
•Baterías Alcalinas
Alcalinas
•Pilas
•Pilas de
de combustible
combustible
•Superconductores
•Superconductores
•Supercondensadores
•Supercondensadores
•Otros
•Otros
Ciencia de Materiales : interdisciplinareidad
Procesado
Aplicaciones
Química
Ingeniería
Composición
Estructura
Física
Propiedades
Estrategias en la preparación de materiales:
en función de la composición
• Haluros, OXIDOS, sulfuros, nitruros,
carburos, hidruros, etc....
(o combinaciones más complejas)
• Con metales o no metales o ambos
• Binarios, ternarios, cuaternarios...
NUEVOS
ÚSQUEDA
NUEVOS MATERIALES:
MATERIALES: ESTRATEGIAS
ESTRATEGIAS DE
DE BBÚSQUEDA
¨
¨ I)
I) Cambios
Cambios de
de estructura,
estructura, composición
composición constante
constante
¨
¨ II)
II) Cambios
Cambios de
de composición,
composición, estructura
estructura constante:
constante:
a)
a) todos
todos los
los átomos
átomos de
de un
un tipo
tipo (familias);
(familias);
b)
b) algunos
algunos átomos
átomos (solución
(solución sólida)
sólida)
¨
¨ III)
III) Fases
Fases metaestables.Procedimientos
metaestables.Procedimientos “suaves”.
“suaves”.
¨
¨ IV)
IV) Nuevas
Nuevas composiciones:
composiciones:
a)
a) Prueba
Prueba yy error
error
b)
b) Diseño
Diseño
c)
c) “Serendipity”
“Serendipity”
¨
¨ V)
V) Materiales
Materiales compuestos
compuestos (“composites”)
(“composites”)
¨
¨ VI)
VI) Cambios
Cambios en
en el
el procesado
procesado
¨
¨ VII)
VII) ETC...
ETC...
Estrategias
Estrategias en
en la
la Preparación
Preparación de
de Materiales
Materiales
I: Misma composición, distinta estructura
Ejs: TRANSICIONES DE FASE
P>>, T>>
C(grafito) --------------------Æ C(diamante)
(semimetal)
(aislante)
61ºC
VO2 (monoclínico)--------Æ VO2 (rutilo)
(semiconductor)
(metal)
∼120ºC
βAgI ----------------------Æ α AgI
(semiconductor)
(conductor iónico)
ESTRATEGIAS DE BÚSQUEDA DE NUEVOS MATERIALES:
Cambios de estructura, composición constante
GRAFITO
DIAMANTE
NANOTUBOS
ESTRATEGIAS
ÚSQUEDA DE
ESTRATEGIASDE
DEBBÚSQUEDA
DENUEVOS
NUEVOSMATERIALES:
MATERIALES:
II)
Cambiosde
decomposición,
composición, estructura
estructuraconstante
constante
II)Cambios
a) todos los átomos de un tipo (familias);
ejemplos:
• perovskitas ABO3,
• espinelas AB2O4,
• rutilos MO2,
• pirocloros A2B2O7,
• etc...
•(no sólo óxidos: fluoruros, sulfuros, etc...)
a
c
Rutilo: MO2
M = metal de
transición
b
Estrategias
Estrategias en
en la
la Preparación
Preparación de
de Materiales
Materiales
II: Misma estructura, distinta composición
Ejs: Dióxidos (rutilos)
Fórmula
P.Magnéticas
P. Eléctricas
TiO2
Diamagnético
Semiconductor Blanco
(Δ 3.05 eV)
VO2
Paramag.Pauli
Metálico
Negro
CrO2
Ferromagnético Metálico
Negro
MoO2
Diamagnético
Bronce
Metálico
Color
ESTRATEGIAS
ÚSQUEDA DE
ESTRATEGIASDE
DEBBÚSQUEDA
DENUEVOS
NUEVOSMATERIALES:
MATERIALES:
Cambios
Cambiosde
decomposición,
composición, estructura
estructuraconstante
constante
a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas);
Sustituciones ISOVALENTES
ejemplo:
• Alúmina: Al2O3 ; estructura corindón, blanco
• Cromia: Cr2O3; “
“
, verde
• RUBÍ: Al2-x Crx O3 ( x <<)
“
, ROJO
ESTRATEGIAS
ÚSQUEDA DE
ESTRATEGIASDE
DEBBÚSQUEDA
DENUEVOS
NUEVOSMATERIALES:
MATERIALES:
Cambios
Cambiosde
decomposición,
composición, estructura
estructuraconstante
constante
a) algún tipo de átomos (disoluciones sólidas);
Sustituciones ALIOVALENTES
ejemplo:
• Zircona ; ZrO2 estructura fluorita
• Ytria: Y2O3;
“
C-Tierras Raras
• YSZ: Zr1-xYx x/2O1-x/2 : Estructura fluorita con vacantes
aniónicas. Conductor de iones O=.
ESTRATEGIAS
ÚSQUEDA DE
ESTRATEGIASDE
DEBBÚSQUEDA
DENUEVOS
NUEVOSMATERIALES:
MATERIALES:
Cambios
Cambiosde
decomposición,
composición, estructura
estructuraconstante
constante
b)
Sustituciones ALIOVALENTES COMBINADAS
ejemplo:
• Silicatos: Al 3+ , A+ en lugar de Si4+
Fases
Qu
ímica ““suave”
suave”
FasesMetaestables
Metaestables..
Química
Ej
.:
Intercalaci
ón en
Ej.:
Intercalación
encompuestos
compuestoslaminares
laminares
Fases
FasesMetaestables
Metaestables..
Ejs
:
Ejs:
•• αα-Cuarzo:
-Cuarzo: ssíntesis
íntesis hidrotermal
C, P>>,
hidrotermal,, 400
400ººC,
P>>,pH>>
pH>>
maghemita). T<300
º CC
•• γγ-Fe
-Fe22O
O33 ((maghemita).
T<300º
•• CC (diamante)
(diamante) P>,
P>,T>,
T>,catalizadores
catalizadores..
•• Zeotipos
Zeotipos
•• ETC....
ETC....
Polvo
policristalino
monocristales
películas
delgadas
Estrategias
Estrategias en
en la
la Preparación
Preparación de
de Materiales:
Materiales:
Algunas
Algunas propiedades
propiedades importantes
importantes dependerán
dependerán de
de la
la
forma
forma final
final
vidrios
Nanomateriales
Silicio monocristalino
(IKZ, Berlin)
amorfos
Paneles solares de Silicio (amorfo)
Cuarzo: α-SiO2
(cristalino)
Vidrio: SiO2
(amorfo)
NANOMATERIALES
Antecedentes
•Los materiales en forma de nanopartículas (Ø≤100 nm)
presentan propiedades diferentes a las de polvo
microcristalino, monocristales o películas delgadas de
igual composición; en ello radica su interés. Presentan
morfologías diversas: nanoesferas, nanohilos, etc...
Revistas especializadas: Nanostructured Materials;
Nanoletters, etc.
Estrategias
Estrategias en
en la
la Preparación
Preparación de
de Materiales
Materiales
Materiales de “diseño”:
El caso del “NASICON”
Na1+X Zr2P3-X SiXO12
Ea ∼ 0.2 eV
J.B. GOODENOUGH
Proc. Royal Soc.A393 (1984) 215
Zeolitas:¿Materiales de Diseño?
Aluminosilicatos
Imagen microscopía e-
“Nanoreactores”: aplicación en catálisis
ESTRATEGIAS
ÚSQUEDA DE
ESTRATEGIAS DE
DE BBÚSQUEDA
DE NUEVOS
NUEVOS MATERIALES:
MATERIALES:
••Cambios
Cambios en
en el
el procesado
procesado
••Nuevas
Nuevas composiciones:
composiciones: materiales
materiales de
de diseño
diseño
••Nuevas
Nuevas composiciones
composiciones oo estructuras:
estructuras:
“serendipity”
“serendipity”
••Materiales
Materiales compuestos
compuestos
••etc.,
etc., etc...
etc...
6. Materiales Superconductores
Un ejemplo reciente:
Las diversas familias de cupratos superconductores
¿qué pistas se han ido siguiendo y por qué?
Resistividad del mercurio en función de la temperatura
Ternperature dependence of the resistance of mercury showing its disappearance as it becomes
superconducting. This was the first observation of superconductivity, H. Kamerlingh Onnes (191 l).
H. Kammerling-Onnes, Leiden Commun.120b, 122b, 124c (1911)
Kammerlingh-Onnes y Holz (Leiden, 1911)
Progresión a lo largo del tiempo de la temperatura crítica de los materiales superconductores
?
Tc (K)
HgBaCaCuO (HP)
160
165 K (25 GPa)
135 K (1 atm)
140
HgBaCaCuO
TlBaCaCuO
120
C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x (HP) ???
125 K (1 atm)
C1/2Cu1/2Ba2CaCu3O8+x ( 117 K)
BiSCO
100
Ybacuo
80
N2liq.
60
Srlacuo (HP)
40
Srlacuo
Ne liq.
20
H2 liq.
Pb
He liq.
Nb2Sn NbAlGe
NbN
N bO
V3Si
Nb
?
Balacuo
Nb3Ge
Hg
0
1910
1930
1950
1970
1990
2000
año
(AO)m {(BO)2(M)n-1} (CuO2)n
Caso del balacuo
Bednorz & Muller
m= 0; n = 1 ⇒ (BO2CuO2 <> La2CuO4 <>
(0201)
La2CuO4 +δ
La2-xMxCuO4
M = Ba, Sr, Ca, K, Na
T
T’
T*
“Balacuo”
Tokura & Arima, Japan J. Appl. Phys. (1990) 29, (see also: M.A. Alario-Franco, Adv. Materials, (1995), 7(2))
A. K. Müller
G. Bednorz
Premio Nobel Física 1987
The Ybacuo or 123 structure
m = 1, n = 2 ⇒ (CuO){ Ba2O2 Y} (CuO2)2 <> YBa2Cu3O7 <> Cu Ba2YCu2O7 ⇒ (1212)
Cu
Ba
c
Y
O
c
c
b
a
HREM of the YBa2Cu3O7 superconductor
Imán (Nd-Fe-B) levitando sobre YBCO a 70K
Superconductores con bismuto
m = 2; n = 1
Bi2Sr2CuO6
2201
m = 2; n = 2 Bi2Sr2CaCu2O8
2212
m = 2; n = 3 Bi2Sr2Ca2Cu3O10
2223
Aspectos destacados: Tc altas
No estequiometría en oxígeno y estroncio
Estructura modulada inconmensurable
Exfoliabilidad
Familia de fases
Dificultad de preparar pura (n = 3)
Plomo como fundente
Estructuras idealizadas de los superconductores con talio
Estructura cristalina de los diferentes miembros de la familia de “cupratos de mercurio”
superconductores HgBa2Can-1CunO2n+2+δ
n=1
Tc = 94
n=2
Tc = 127
n=3
Tc = 135
n=4
n=5
Tc = 110
150 (25 GPa)
165 (250 GPa)
Table 1. Superconducting Transition Temperatures (in K) of Homologous
Series of Superconductors Prepared under High Pressure :(1 or 2) (n-1) n
Estrategias
Estrategias en
en la
la Preparación
Preparación de
de Materiales
Materiales
A veces no hay que preparar...basta “redescubrir”.Ej:
Un “viejo material” redescubierto como “nuevo superconductor”
MgB2 Tc≈40K
7. Conclusión
La Ciencia de Materiales
El Alquimista
(Portada del Catálogo
Sigma-Aldrich 2005)
!! Muchas gracias por la atención !!
[email protected]